Los diagramas de equilibrio o fases. Origen, tipos y aplicaciones.

1. DIAGRAMAS DE EQUILIBRO
Realizado por:
Juan Montilla
C.I: 23.776.377
Cód. 49
Ciudad Ojeda, junio de 2020
República Bolivariana De Venezuela
Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Universitaria
Instituto Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Ciudad Ojeda, Edo. Zulia

2. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO O FASES
Son las representaciones gráficas de las fases presentes en un sistema a
varias temperaturas, presiones y composiciones. Entre la información que está en
ellos y se obtiene se tiene:
 Las fases presentes en el sistema a diferentes composiciones y temperaturas
bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
 La temperatura a la cual las diferentes fases comienzan a fundirse.
 La presencia de fenómenos de alotropía o polimorfismo en estado sólido.
El conocimiento del equilibrio entre fases es requerido para el diseño de todo
tipo de procesos químicos: destilación, extracción, reacciones, flujo de fluidos,
micronización de partículas, etc. Por cierto, en cada caso diferentes escenarios de
fases son requeridos para un diseño racional y conceptual del proceso. El manejo
de diagramas de fases de mezclas complejas no es una tarea sencilla; sin embargo,
las reglas para su construcción se basan en criterios simples. Los diagramas de
fases son herramientas esenciales para la ingeniería del equilibrio entre fases y uno
puede encontrar en ellos guías claves para determinar regiones factibles y óptimas
para el proceso. Es importante entender el significado fenomenológico de cada
comportamiento y su relación con las propiedades moleculares. También que “un
diagrama de fases no es una pintura aislada sino una instantánea del
comportamiento del equilibrio de fases en coordinadas de presión, temperatura y
composición”, como lo formulan Swaan Arons y de Loos.
Los diagramas de fase están muy relacionados a la ciencia de los materiales
la cual surgió después de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta a la
necesidad de producir materiales con propiedades especializadas.

3. Existen diferentes diagramas según los materiales, sean totalmente solubles
en estado sólido y líquido, o sea miscibles, o que sean insolubles. También pueden
darse casos particulares.
Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene
particularidades, donde afecta claramente la concentración y las diferentes
cristalizaciones que pueden darse en el hierro en estado sólido y a diferentes
temperaturas.
Se debe tener en cuenta que las leyes de la termodinámica indican que debe
suceder, identificando los niveles de menor energía, sin indicar cómo o cuando
sucederá o si sucederá. Esto permite el utilizar los diagramas de fase de equilibrio,
aun cuando el transporte sea incompleto.
Las herramientas fundamentales a ser utilizadas son:
1. La regla de la tangente, esta se utiliza para definir condiciones de equilibrio,
esta nos permite asegurar que los potenciales químicos de todos los
elementos se igualan para las diversas fases presentes.
2. Regla de Gibbs o Regla de las fases, nos permite obtener los grados de
libertad (F) para mantener el equilibrio en un sistema, en base al número de
sus componentes (C) y fases presentes (P), teniendo en cuenta la existencia
de dos variables termodinámicas independientes, usualmente presión y
temperatura. La regla se expresa por la relación:
𝐹 + 𝑃 = 𝐶 + 2

4. Tipos de Diagramas:
Diagramas de fase de una sola componente (Unitarios)
En estos diagramas no existe cambio de
composición así que las únicas variables que
pueden modificarse es la presión y la temperatura.
En estos diagramas si dos fases coexisten en la
línea de equilibrio por Regla de Fases podemos
variar ya sea Temperatura o Presión.
Una sustancia pura como el agua puede
existir en las fases sólida, líquida y gaseosa,
dependiendo de las condiciones de temperatura y
presión.
Diagrama de fase binario
Los sistemas de más de un componente permiten la mezcla parcial o total de
dos o más componentes. En el caso de tener dos componentes, dos fases pueden
coexistir sobre un rango de composición y temperatura, mientras que un punto
invariante involucra tres fases.

5. La clasificación de los diferentes tipos de diagramas de fase se realiza en
base a los tipos de transformaciones y las reacciones invariantes que presente.
I. Mezcla líquido - gas
(a) Destilación simple (P = ctte), Los vapores producidos son
inmediatamente canalizados hacia un condensador, el cual lo refresca
y condensa de modo que el destilado no resulta puro.
(b) Destilación súbita, Se caracterizada porque la vaporización se realiza
en un espacio cerrado, sin retirar el vapor formado y a presión
constante.

6. (c) Destilación fraccionada, proceso utilizado para separar mezclas de
líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calorífico y
másico entre vapores y líquidos. Se emplea cuando es necesario
separar soluciones de sustancias con puntos de ebullición distintos pero
cercanos.
II. Mezcla de disoluciones sólidas
(a) Sistemas eutécticos, De acuerdo a la regla de fases de Gibbs, para
un sistema binario a presión constante, pueden coexistir un máximo
de tres fases en equilibrio, es decir que, por ejemplo, dos sólidos
pueden coexistir junto con la fase líquida en un punto invariante. Una
segunda fase puede aparecer por diversas razones.

7. (b) Sistemas peritécticos, Cuando tanto la fase líquida como la sólida
prefieren no mezclarse, esto es ΩmS y Ωml son mayores que cero en la
descripción de solución regular, el diagrama resulta en un diagrama
peritéctico.
(c) Sistemas monotécticos. Inmiscibilidad líquida. Cuando existen
desviaciones positivas del líquido, es decir Ωml > 0, el sistema tiende
a mostrar un defecto de mezcla en el medio líquido.

8. (d) Sintécticos Los sistemas sintécticos son aquellos en que un sólido
puede descomponerse para dar lugar a dos líquidos con diferente
composición: liq1 +liq2 → α
Es raramente observado en sistemas de aleaciones.
III. Equilibrio solido-gas
Parte de las partículas de un sólido tienen energía suficiente para pasar a
gas. Las características de este equilibrio son similares a las del equilibrio entre
líquidos y gases. Por encima de la temperatura critica, al no existir estado líquido,
un sólido sublima (pasa directamente a gas) y un gas deposiciona. La presión de
vapor del solido depende de la entalpía y entropía de sublimación, y de la
temperatura. La temperatura de sublimación es equivalente de la de ebullición.
IV. Equilibrio líquido-líquido
A T1=ctte se toma una porción de fenol y se añade agua, al llegar a la
composición x1, el fenol se satura en agua y se forman las soluciones conjugadas
de composición x1 y x3.
La posterior adición de agua sólo ocasiona el aumento proporcional de las
masas de ambas fases líquidas. La proporción de las fases líquidas se estudia a
través de la regla de la palanca.

9. Diagramas de fases para sistemas multicomponentes
Cuando se trabaja con sistemas reales, es más frecuente encontrar mezclas
multicomponentes que sistemas binarios. Por ejemplo, en una simple reacción que
involucre sólo dos reactivos para dar dos productos, utilizando un solvente como
medio de reacción, nos encontramos con una mezcla de cinco componentes,
siempre que no tengamos otras reacciones laterales. La situación es más compleja
si varias reacciones simultáneas tienen lugar, como en procesos de pirólisis o Fisher
Tropsch. En algunos casos podemos incluso no tener un conocimiento completo de
los componentes en la mezcla bajo estudio, lo que es típico en el procesamiento de
productos naturales o petróleo.
i. Equilibrio líquido-líquido-vapor
La elevación de temperatura del sistema f conlleva a la variación de la
proporción másica de las soluciones conjugadas.
Al alcanzar la Temperatura de 94oC se establece un equilibrio
de tres fases: L1, L2 y V. El sistema es INVARIANTE. No cambia la temperatura ni
la composición de las fases hasta que desaparece la fase líquida h.

10. ii. Equilibrio sólido-gas-líquido
La estabilidad del estado líquido frente al estado sólido para una sustancia
dada, puede deducirse a partir de los datos de equilibrios sólido–gas y líquido–gas,
considerando que, a una temperatura dada, el estado más estable es el que
presenta menor presión de vapor.
Principios de ingeniería del equilibrio entre fases
El análisis sistemático de problemas de diseño de fases, permite plantear
una metodología para la ingeniería del equilibrio entre fases. En este, como ya se
indicó, se aplican herramientas termodinámicas para el diseño de la condición de
fases y el diseño conceptual del proceso. Los principios básicos a evaluar en el
proceso de diseño son los siguientes:
1) Identificación mezcla inicial y matriz de corrientes del proceso
Composición de la alimentación, temperatura y presión
Objetivo del proceso, especificaciones y restricciones
Balances de materia

11. Fronteras de temperatura y presión
2) Clasificación de las mezclas
Análisis de las fuerzas intermoleculares de cada componente
Análisis de las interacciones binarias
Especificación del tipo de mezcla y su comportamiento
3) Identificación de fronteras del estado físico de los componentes puros
Curvas de presión de vapor
Puntos de fusión, ebullición, crítico y punto triple
4) Selección de modelo termodinámico
Datos experimentales
Estimación de parámetros termodinámicos
Análisis de la sensibilidad al equilibrio entre fases
5) Estado físico de las mezclas en las corrientes y las unidades de proceso
Identificación de los componentes supercríticos
Envolventes de fases
Solubilidades
6) Selección de la tecnología del proceso
Selección de solventes para unidades de separación y reacción
Análisis de la sensibilidad termodinámica
Sensibilidad de las unidades de proceso
7) Selección de escenarios físicos claves para su análisis termodinámico.

12. El objetivo principal de la ingeniería del equilibrio entre fases es el diseño de
las condiciones del sistema para alcanzar el escenario de fases que el proceso a
desarrollar requiere. La mezcla a tratar y el proceso a llevar a cabo iluminan la
búsqueda de las variables termodinámicas del proceso que permitan alcanzar el
estado de fases requerido.
La solución de este tipo de problemas requiere especificar una amplia gama
de variables de diseño: presión, temperatura, composición de la alimentación,
agentes de arrastre, solventes, condiciones supercríticas, etc. para modificar el
escenario de fases.
Los diagramas de fase son de gran importancia en la ingeniería, pues
apoyan, entre otros, estudios de solidificación, microestructura, metalurgia física y
diseño de nuevos materiales. Cuando aparecen varias sustancias, la representación
de los cambios de fase puede ser más compleja